国外实施再生水回灌的启示（韩中华）

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摘要：地下水超采会引起地下水位下降, 并可能引起地面沉降、苦咸水入侵等地质灾害。北京是国际上少有的大规模开采地下水资源的大城市, 地下水超采严重。如何利用再生水实施地下回灌, 减少污水排放、增加水资源储量, 缓解水资源短缺、避免地质灾害, 成为当务之急。对国外实施再生水回灌的经验进行分析, 希望能得到对北京实施再生水回灌的启示。

关键词：再生水回灌地下水

中图分类号TV213.9 文献标识码B 文章编号1673 - 4637( 2006) 05 - 0004 - 04

自工业化以来, 污水排放逐渐增多, 很多国家普遍面临水资源短缺和排污量增加同时并存的矛盾, 如何减少环境污染、增加污水回用、增加水资源储量成为很多国家研究的课题。

1 国外再生水回灌现状

在欧洲利用天然渗漏河床进行污水回灌已有100 多年历史, 即便是人工回灌也有半个世纪的时间。美国、以色列、德国、荷兰、奥地利、日本等国在再生水回灌方面开展了大量工作, 取得了丰富的经验。

1.1 美国

美国再生水回灌始于半个世纪以前, 经过了几十年的发展, 取得了很大进步。1992 年, 美国国家环保局提出了污水非饮用回用的建议性指南, 包括了对地下水回灌的水质和处理工艺要求。但由于美国是联邦体制, 国家和各州的水质标准、管理制度和措施也不完全相同, 实施进度也不同。相对于其他州来说, 加利福尼亚州再生水回灌工作开展得较早, 比较有代表性。

加利福尼亚州从20 世纪70 年代起即开始了地下水回灌, 早期主要在加州南部与中部海岸地区利用污水沿着透水河床进行回灌。60 年代开始, 在圣何塞河、惠蒂尔谷地、奥林奇县陆续实施污水回灌。

截至目前, 加州共有200 多个污水回用厂, 每年回用水量约3.3 亿m3, 其中约14%被回灌到地下, 到1995 年回灌比例已增加为27%, 再生水回灌地下将成为污水回用的主要方向之一。

为了阻止海水入侵, 1965 美国修建了21 世纪水厂。21 世纪水厂位于加州橘县( Orange) 水管理区,命名为21 世纪水厂, 其意味着处理技术具有21 世纪水平。1972 年兴建有关工程, 设计能力5.7 万m3 / d,1976 年投入运行。工程将再生水与深层蓄水层井水按2︰1比例混合, 通过23 座多套管井81 个分散回灌点将再生水注入4 个蓄水层, 注水井位于距太平洋约5.6 km 的地方, 完全控制了海水入侵的势头, 处理流程见图1。

洛杉矶县于1973 — 1978 年, 先后兴建了维梯尔- 那罗斯再生水厂、圣乔斯再生水厂和帕摩那再生水厂, 并将这3 个厂的再生水人工回灌至蓄水层, 年回灌量达0.62 亿m3。

为了规范再生水回灌, 加州在1978 年就提出了地下水回灌的标准草案, 它包括了水质标准、处理工艺要求、操作要求、处理可靠性要求等。制订该标准草案的主要目的在于控制有机物进入作为饮用水源的地下含水层, 并认为回灌地下水的水质不必达到饮用水水质标准, 应认识到回灌水在地下停留对水质的改善。该标准建议的处理要求是将污水处理厂的二级出水经过滤、去除有机物、消毒和活性炭床吸附(接触时间不应少于30 min) 处理, 在重新抽取出来以前, 必须在地下停留6 个月以上, 这是为了保证进一步杀灭和去除肠道病菌。地下水位以上的包气带至少应有3m厚。

抽水点离回灌点的水平距离至少为150 m。当抽取的水中回灌水超过20%时, 要求在抽水点TOC < 1 mg / L;而在回灌点, 要求TOC < 3.0 mg / L, COD< 5 mg / L,NO-3 < 45 mg / L, TN< 10 mg / L。在回灌之前, 水中的大肠杆菌数最好降低到2.2 个/ 100 mL 以下。要求每天检测COD 和TOC, 每季检测的项目包括苯和四氯化碳等。

该草案不断修订, 1993 年修订后一直沿用至今,其要求是针对每项地下水回灌工程的具体情况, 都要求保证从接收回灌水的含水层抽取的水符合饮用水标准, 而且对采用注入井回灌的回灌水TOC 要求比经地表渗滤回灌入含水层的严格, 因为已经证明后者能使有机物在地下非饱和区和饱和区发生进一步的降解。

要求回用水的TN 浓度低于10 mg/ L。除非能证明在渗滤过程中, 有足够的N 被去除从而可以使水中TN 浓度<10 mg / L, 否则必须先行除N。同时, 抽取出的水中, 最多可以有1 mg / L 的TOC 来自于回灌水。即当回灌水的TOC 是5 mg / L 时, 抽取的水中可有20%来自回灌水。如果回灌水的TOC 是2 mg / L, 则抽取的水中可有50%是回灌水。

为了保证在地表渗滤系统中去除病原菌和痕量的有机物, 标准规定了渗滤速度和地下水厚度。标准倾向于通过非饱和带以发展好氧生物处理过程来降解有机物和除去病原菌。其中非饱和带的厚度根据不同地方的特点而变化, 最小要求为3 ～50 m。研究发现,如果土壤要想发挥这些作用, 那么初始的渗滤速度应< 0.8 cm/min。如果该值< 0.5 cm/min, 将会带来额外的净化效果从而可以减少再生水在土壤含水层中的流动距离。

其他州的再生水回灌也有一定的发展。德克萨斯州的埃尔派沙( EL Paso) 自1985 年6 月开始, 将弗立德荷凡再生水厂的出水回灌至汉克鲍尔逊地下水蓄水层, 控制地下水位的下降, 每年提供水资源占埃尔派沙需水量的65%。

1.2 以色列

由于长期缺水, 以色列在污水再生利用方面, 始终处于世界领先地位。1987 年其污水再生利用率已达全国污水总量的70%以上, 其中约30%用于回灌地下。因为对再生水安全性持怀疑态度, 一般情况下以色列不将再生水作为直接饮用水, 而是将再生水回灌地下, 通过土壤层的净化再抽至管网系统使用。

1964 年以色列在太巴列湖地区建立了地下水库———拦洪工程, 利用再生水和汛期雨洪水实施回灌,在地表水与地下水统一调度, 形成地下水库, 以供旱季使用, 总库容47 亿m3。

Dan Region 工程是以色列最大的水回用项目, 服务人口130 万, 日处理城市污水270 万m3 , 负责Tel-Aviv地区和临近地区城市污水的收集、处理、回用和地下回灌。

1.3 欧洲

在欧洲采用地表水、特别是利用污水有计划地进行地下回灌已经有一个多世纪的历史。欧洲一般不直接使用再生水, 而是将再生水通过河道、渗渠、渗水池等回灌地下后再抽取回用。

1.3.1 德国

德国是欧洲开展再生水回灌较早的国家。德国回灌地下水主要有2 种方法: 一种是采用天然河滩渗漏; 一种是修建渗水池、渗渠、渗水井等工程措施实施回灌。

早在20 世纪60 年代, 德意志联邦( 原西德) 就利用被污染的河水通过由砂、砾石构成的河床实施地下水补给, 通过与河道相隔一定距离的井取用循环后的地下水, 取水量占总供水量的14%。

德国许多水厂使用渗漏工程产生人工地下水, 在整个国家使用这种方法生产的水占城市水厂总供水量的12%。主要方法是修建渗水池( 如北鲁尔- 维斯特伐利亚工业区) 、渗渠( 如汉堡- 柯尔斯拉克厂) 和渗水井( 如威斯巴登- 希尔斯坦水厂) , 将河水( 受到轻度污染) 通过渗漏工程回灌地下产生人工地下水。

德国柏林将经过生物净化的污水投加氯化铁与助凝剂絮凝沉淀后, 投加臭氧将有机物氧化, 降解有机分子, 同时杀灭细菌, 再经无烟煤过滤, 最后进行地下水回灌, 经地质净化后作为饮用水重新抽取出来,该示范工程早在20 世纪70 年代已建成投入使用。

Langen 市为解决地下水位下降问题,将污水处理厂的二级出水通过曝气、沉淀、砂滤池过滤、臭氧氧化、活性炭吸附等措施深度处理后, 利用土壤渗滤回灌补充地下水, 该设施于1979 年投入运行。

1.3.2 荷兰

荷兰是一个地势低洼的国家, 历史上以筑堤、排水、围海造田而著称。该国约有1/4 的国土面积低于海平面, 再加上部分地区开垦沼泽地等, 海水入侵问题十分突出。为了解决这个问题, 50 年代起荷兰就开始在沿海人口稠密的城市开展了大规模的地下水补给工程。

荷兰进行地下水人工补给的主要目的是增大供水能力, 减少地下水位的持续下降, 防止海水入侵; 其次是利用廉价的、天然过滤消毒入渗系统提供卫生可靠的水资源。阿姆斯特丹的滨海砂丘人工补给设施将洪水季节淡化的莱茵河河水注进天然入渗井回灌地下, 形成地下水库, 调节年际间水资源平衡, 年回灌量可达4 000 m3。到1990 年, 地下水人工年补给量达到了1.8 亿m3 , 其中96%的水是通过砂丘地区的入渗系统进行补给的。其运行模式是“引莱茵河水—净化回灌地下水库—抽出水”。

近年荷兰政府根据保护生态环境的总方针, 增大再生水回灌补给, 减少地表入渗补给, 重新设计一些地表入渗系统, 以减少地表补给工程对生态环境的影响。

1.3.3 法国

在法国, 有30 到50 个污水处理厂将处理出水回灌地下, 采用土壤渗滤技术进行污水处理, 出水或储存于含水层或抽走回用。法国地中海沿岸的Grau DuRoi 市为减少或避免二级处理出水对附近旅游点海水的污染, 出水经过几米深的自然土壤层的渗滤后回灌于地下的含水层中。

1.3.4 奥地利

奥地利回灌再生水水质好, 自动化程度较高。维也纳市郊的平原上的Marchfeld 是奥地利实施再生水回灌的典型区域。该地位于奥地利东部, 面积约1000 km2,是重要的农产区, 但年平均雨量只有520 mm。为了灌溉、工业、生活等用水, 大量开采地下水, 致使地下水位下降, 地下水每年亏损500 ～1 000 万m3。为恢复地下水, 1995 年修建了Marchfeld 渗渠, 通过该渠道实施人工回灌地下水, 每年回灌500～1000 万m3。

1.3.5 瑞士

瑞士苏黎世将被污染河水净化后, 通过回灌井补给地下, 并通过在地下水渗流下游地区取用地下水。

1.4 日本

再生水一词最早来源于日本, 早在1955 年日本就开始了再生水利用。日本大城市双管供水系统比较普遍, 一个是饮用水系统, 另一个是再生水系统, 即“再生水道”系统。“再生水道”以输送再生水供生活杂用著称, 约占再生水回用量的40%。日本再生水主要用于城市杂用、工业、农业灌溉等, 管理制度非常严格。日本的再生水回灌主要通过河道补给地下水等进行。近年来又开发出一种地下毛细管渗滤系统, 渗漏回灌补充地下水。

2 国际再生水回灌的总结

国际再生水回灌历史可以分2 个时期, 早期利用天然地理条件实施回灌, 称为天然回灌, 主要是利用由砂、砾石等构成的透水河床和透水地表进行地下水回灌, 水源主要是受污染的河水和地表污水; 20 世纪50 年代起开始实施工程回灌, 又称为人工回灌, 主要通过挖掘渗水池、渗水井、渗渠等工程措施实施再生水回灌, 这个时期回灌水源一般是经过处理并达到一定水质的污水和雨洪水, 水质标准相对较高, 有些国家的水质标准不低于饮用水标准。

2.1 再生水回灌有多种用途

再生水回灌在国外已经得到一定程度的应用, 实践经验表明, 将符合水质标准的再生水回灌地下含水层, 可以有效地增加地下水资源存储量, 并可以较好地利用含水层的储水空间调蓄水资源, 起到年际间的调节作用, 可以缓解可能出现的地质灾害, 预防海水及苦咸水入侵, 并具备一定的水质净化功能。

2.2 严格要求回灌水质

由于担心再生水水质会造成地下水污染, 一些国家和地区对再生水回灌持审慎态度。可以说, 再生水水质是再生水回灌的关键问题。

虽然有的国家再生水水质高于饮用水标准, 但大部分国家由于担心再生水水质的不确定性, ( 紧急情况除外) 仍然不会直接将再生水作为饮用水水源。一般将再生水回灌至地下, 满足一定条件后( 取水井与注水井的距离、地下停留时间) , 再取用作饮用水源。

由于地下水补给水质要求因补给地区水文地质条件、补给方式、补给目的的不同而不同, 因此很难制定统一的再生水补给地下水质标准。多数国家多是对再生水补给地下水水质要求制定统一的原则, 有的国家如德国规定, 再生水补给地下水的水质应不低于补给区地下水的水质, 有的国家如以色列规定, 回灌后水质应满足饮用水水质要求。美国制定一个国家标准,该标准规定回灌用水水质不低于饮用水标准, 各州的标准不低于国家标准。我国已于2005 年11 月制定并公布再生水回灌水质标准。

2.3 再生水处理成本是再生水回灌的制约因素

再生水用于地下水回灌, 对再生水水质要求很高,需要高级深度处理技术的支持, 回灌前须经生物处理(包括硝化与脱氮), 还必须有效去除有毒有机物与重金属, 一旦回灌水质达不到要求, 将会对地下水含水层造成污染。因此最大的问题可能是再生处理技术的成本问题。

3 启示

从水的自然循环角度讲, 再生水回用于地下水回灌体现了减量化、无害化、资源化的污染治理原则和可持续发展的战略思想, 因而从可持续发展的观点看,地下水回灌是扩大污水回用最有益的一种方式, 具有广阔发展前景。

从地质构造、回灌技术等方面看, 我市西部地区地质地表土层入渗条件好, 可以形成3 亿m3 容量的地下水库, 十分适宜实施再生水回灌, 已建和在建吴家村等多个再生水厂, 回灌水源稳定, 可以很好补充三厂水源, 回灌技术成熟, 并且国家已经发布了《城市污水再生利用地下水回灌水质标准》, 可以说, 北京实施再生水回灌的条件已经基本具备。

制定实施再生水回灌管理制度, 根据北京市地理地质情况的回灌技术和回灌方式, 确定安全有效的回灌地点, 严格监测回灌再生水水质和取水水质, 确保取水安全, 是北京市实施再生水回灌的关键。

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作者简介: 韩中华( 1975 —) , 男, 工程师。

来源：《北京水务》2006.5